嵌入式多節(jié)點的無線批量程序更新系統(tǒng)設(shè)計(二)

　3.2 可靠數(shù)據(jù)分發(fā)協(xié)議的設(shè)計

　　在闡述具體的設(shè)計思路之前，先提出以下應(yīng)用場景的假設(shè)。

　　假設(shè)一：網(wǎng)絡(luò)節(jié)點不支持高級的操作系統(tǒng)。可以理解為必須考慮節(jié)點處理和通信能力有限，而且通信協(xié)議要從底層(如MAC層)實現(xiàn)。

　　假設(shè)二：大部分待燒錄節(jié)點分布在數(shù)據(jù)基站的通訊范圍之內(nèi)?？梢岳斫鉃橥ㄐ艆f(xié)議不需要實現(xiàn)復(fù)雜的多跳通信和流水線，可以充分利用數(shù)據(jù)基站第一次數(shù)據(jù)廣播，這一點下文會詳細(xì)闡述。

　　基于以上兩點假設(shè)，可靠性數(shù)據(jù)分發(fā)協(xié)議的具體設(shè)計如下。

　　考慮到不同平臺的無線收發(fā)模塊提供的服務(wù)接口和通信質(zhì)量的差異以及程序更新對網(wǎng)絡(luò)可靠性的要求，通信協(xié)議選擇在網(wǎng)絡(luò)層實現(xiàn)可靠數(shù)據(jù)分發(fā)的機(jī)制，協(xié)議只需要硬件平臺在MAC層提供收發(fā)數(shù)據(jù)幀的應(yīng)用接口即可。協(xié)議中，數(shù)據(jù)分發(fā)分為兩個階段：第一輪發(fā)送階段和節(jié)點間交流階段。圖4.2為兩個階段通信方式示意圖。

　　(實線代表發(fā)送完整數(shù)據(jù)文件，虛線表示發(fā)送數(shù)據(jù)頁)

　　1、第一輪發(fā)送階段。

　　數(shù)據(jù)基站(如PC)在接收節(jié)點準(zhǔn)備好后不間斷廣播數(shù)據(jù)幀，直至數(shù)據(jù)發(fā)送結(jié)束;接收節(jié)點盡力接收數(shù)據(jù)，并記錄自己已有數(shù)據(jù)幀的id信息，期間不向源節(jié)點發(fā)送反饋信息。

　　在原始的Deluge協(xié)議中沒有這一階段，因為Deluge協(xié)議中可能無線傳感器網(wǎng)絡(luò)龐大，分布范圍也較廣，所以數(shù)據(jù)分發(fā)一旦啟動，所有接收到數(shù)據(jù)的節(jié)點都參與到數(shù)據(jù)發(fā)送中來;而本設(shè)計中，網(wǎng)絡(luò)充分利用了假設(shè)二中的節(jié)點分布條件，通常情況下，在第一輪發(fā)送結(jié)束后，相當(dāng)大比例的節(jié)點就已經(jīng)接收到了大部分的數(shù)據(jù)，而這個過程中因為只有數(shù)據(jù)基站在發(fā)送廣播，網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)傳輸?shù)男适亲罡叩?。?dāng)然，這種節(jié)點分布條件不滿足的情況也不會明顯降低數(shù)據(jù)分發(fā)效率。

　　節(jié)點間交流階段。

　　交流階段參考了trickle算法的“polite gossip”策略，所有節(jié)點(包括數(shù)據(jù)基站)都參與到交流中去。每個節(jié)點的交流的目的都是相同的，即將自己擁有的數(shù)據(jù)包發(fā)送給需要的節(jié)點和請求并接收自己需要的數(shù)據(jù)包。

　　第2階段是保證可靠性的關(guān)鍵，協(xié)議中讓源節(jié)點也參與到交流中來，這是為了防止網(wǎng)絡(luò)狀況極差以至在第一輪發(fā)送結(jié)束之后所有節(jié)點接收數(shù)據(jù)的總和都不構(gòu)成完整數(shù)據(jù)文件的極端情況。這一步中，節(jié)點長時間處于“維護(hù)”狀態(tài)標(biāo)志數(shù)據(jù)分發(fā)結(jié)束。

　　節(jié)點首先廣播廣告，每一個廣告包含一個摘要(φ)，摘要(φ)由兩部分組成：(1)本節(jié)點的IP標(biāo)識v。(2)本節(jié)點的最大可用頁號p，即φ(v,p)?？捎庙撎杙的定義：頁p所包含的包被節(jié)點全部接收，稱頁p完成。頁p被完成并且它之前的所有的頁(0,p)也被節(jié)點全部接收，稱頁p可用。節(jié)點通過廣告來了解對方擁有的數(shù)據(jù)信息，繼而向比自己數(shù)據(jù)更完備的節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)頁請求。協(xié)議中將時間分成時間片(round)，在每一個時間片中，節(jié)點來決定是否廣播一個廣告。假設(shè)時間片的長度由Tm,i來表示，它的上下界由Tl和Th來表示，則有取Tl

　　交流階段中，節(jié)點擁有“維護(hù)”、“請求”和“發(fā)送”中的人一個狀態(tài)。節(jié)點在“維護(hù)”狀態(tài)廣播廣告并聽取其他節(jié)點的廣播;在請求階段向其他節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)頁請求，并接收對方發(fā)來的數(shù)據(jù);在發(fā)送狀態(tài)廣播被請求的數(shù)據(jù)頁。圖4.3為狀態(tài)轉(zhuǎn)換示意圖。主要的交流規(guī)則如下。

　　(1)“維護(hù)”狀態(tài)規(guī)則

　　M1: 假設(shè)時間片i的開始時間為ti，節(jié)點在ti+ri的時間段內(nèi)，若接收不到廣告φ'=φ，則廣播廣告φ;若收到與φ不一致的廣告(包括φ'=φ、廣告幀和數(shù)據(jù)幀等)，則調(diào)整時間片為Tl，并立即重新開始時間片;若接收到廣告φ'=φ，則調(diào)整時間片為min(2*Tm,i ,Th )。

　　M2: 節(jié)點在收到廣告φ'(v',p')中p'大于自身的最大可用頁p時，轉(zhuǎn)向“請求”狀態(tài)，向節(jié)點v'發(fā)送數(shù)據(jù)頁請求;節(jié)點收到請求幀，則轉(zhuǎn)向“發(fā)送”狀態(tài)，廣播被請求數(shù)據(jù)頁。

　　規(guī)則1能控制冗余廣告的發(fā)送，節(jié)約網(wǎng)絡(luò)資源，并且根據(jù)網(wǎng)絡(luò)狀況動態(tài)調(diào)整時間片長度，從而是網(wǎng)絡(luò)資源得到有效的利用。

　　規(guī)則2實現(xiàn)從“維護(hù)”狀態(tài)到“請求”和“發(fā)送”狀態(tài)的轉(zhuǎn)換。

　　(2)“請求”狀態(tài)規(guī)則：

　　M3：若節(jié)點在向源節(jié)點發(fā)出數(shù)據(jù)頁請求后節(jié)點在時間t(t為自定義時間長度，是經(jīng)驗值，根據(jù)網(wǎng)絡(luò)狀況而定)內(nèi)沒有收到數(shù)據(jù)，則再次發(fā)送請求，若累計請求次數(shù)大于k(k為自定義次數(shù))，則認(rèn)為請求失敗，返回“維護(hù)”狀態(tài);若節(jié)點接收到數(shù)據(jù)頁，則在接收結(jié)束后返回“維護(hù)”狀態(tài)。

　　規(guī)則3中考慮到網(wǎng)絡(luò)的質(zhì)量因素，定義了等待時間t和最大請求次數(shù)k。

　　(3)“發(fā)送”狀態(tài)規(guī)則：

　　M4：節(jié)點進(jìn)入“發(fā)送”狀態(tài)立即廣播被請求的數(shù)據(jù)頁，廣播結(jié)束后返回“維護(hù)”狀態(tài)。

　　規(guī)則4中要注意的是，節(jié)點以廣播的方式發(fā)送數(shù)據(jù)，這意味著處于“請求”狀態(tài)的節(jié)點可以接收任何節(jié)點(不一定是它請求的指定節(jié)點)發(fā)送的符合其需要的數(shù)據(jù)包，這也是協(xié)議中避免網(wǎng)絡(luò)冗余的一個體現(xiàn)。

　　以上是本設(shè)計中可靠數(shù)據(jù)分發(fā)協(xié)議的全部內(nèi)容，本文在下一節(jié)中將詳細(xì)論述協(xié)議的軟件設(shè)計實現(xiàn)。

　　3.3 可靠數(shù)據(jù)分發(fā)協(xié)議的軟件設(shè)計實現(xiàn)

　　協(xié)議的軟件設(shè)計在網(wǎng)絡(luò)層實現(xiàn)，涉及到MAC層接口的調(diào)用。本節(jié)先簡單介紹本設(shè)計實驗平臺上網(wǎng)絡(luò)模塊提供的MAC層應(yīng)用接口，然后詳細(xì)論述軟件的設(shè)計和實現(xiàn)。

　　3.3.1 MAC層接口簡介

　　首先做兩點說明。

　　第一，設(shè)計中使用的MAC層接口不提供絕對可靠的網(wǎng)絡(luò)通信。一方面是因為設(shè)計使用實驗室自制的硬件平臺主要用于做群體實驗，而群體實驗不需要可靠的網(wǎng)絡(luò)通信，所以平臺的通信模塊也沒有能實現(xiàn)可靠通信的機(jī)制;另一方面要求MAC層提供可靠通信也不是必要的。

　　第二，網(wǎng)絡(luò)層只使用了MAC層提供的數(shù)據(jù)幀發(fā)送和數(shù)據(jù)幀接收兩個接口，網(wǎng)絡(luò)層的幀結(jié)構(gòu)包含在MAC數(shù)據(jù)幀的數(shù)據(jù)域中。

　　從第一點可以看到，協(xié)議在網(wǎng)絡(luò)層實現(xiàn)可靠數(shù)據(jù)傳輸?shù)臋C(jī)制，降低了對MAC層通信質(zhì)量的要求，而第二點說明協(xié)議僅僅需要MAC層提供兩個最基本的應(yīng)用接口。本設(shè)計中的可靠數(shù)據(jù)分發(fā)協(xié)議對底層通信的要求很低，具有較好的魯棒性和可移植性。

　　本設(shè)計實驗平臺上提供的MAC層數(shù)據(jù)幀發(fā)送命令結(jié)構(gòu)如圖4.4所示，其中區(qū)域3為數(shù)據(jù)域，包含網(wǎng)絡(luò)層的幀結(jié)構(gòu)，另外節(jié)點在MAC層以廣播的方式通信，所以命令中不包含源節(jié)點和目的節(jié)點的地址信息。MAC層接收到數(shù)據(jù)幀后，將數(shù)據(jù)域分離出來存儲到接收緩存區(qū);發(fā)送數(shù)據(jù)時，將發(fā)送緩存區(qū)中的數(shù)據(jù)加上MAC層數(shù)據(jù)幀的頭部和尾部并發(fā)送出去，網(wǎng)絡(luò)層只關(guān)心發(fā)送和接收緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)。這里規(guī)定以下章節(jié)中提到的各種幀結(jié)構(gòu)均指網(wǎng)絡(luò)層幀結(jié)構(gòu)。

　　3.3.2 可靠數(shù)據(jù)分發(fā)協(xié)議的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計

　　網(wǎng)絡(luò)層數(shù)據(jù)要經(jīng)過緩存，解析再到存儲或者執(zhí)行三步操作，并且不同種類的幀要區(qū)別處理，因此一個好的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計方案對簡化數(shù)據(jù)處理操作和提高數(shù)據(jù)處理效率是非常有必要的。圖4.5為網(wǎng)絡(luò)層數(shù)據(jù)流圖，數(shù)據(jù)幀的流向為：

　　從MAC層讀入后放入原始數(shù)據(jù)緩沖區(qū);

　　經(jīng)解析后得到幀結(jié)構(gòu);

　　將幀結(jié)構(gòu)作相關(guān)處理后僅提取頁號(p)、幀號(id)和數(shù)據(jù)(data)放到寫flash緩沖區(qū);

　　寫flash。

　　注意以上是數(shù)據(jù)幀的流向，除數(shù)據(jù)幀以外的其他類型幀(如請求幀，結(jié)束幀等)只執(zhí)行第(1)、(2)步操作。下面著重論述圖中每個階段涉及到的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。